摘要：探討了牽引列車制動滯后導致半掛車折疊的力學原理與應對策略。通過分析制動滯后的定義、牽引力與制動力的不平衡以及慣性力對半掛車的影響，揭示了折疊現(xiàn)象發(fā)生的條件及其力學過程。研究表明，優(yōu)化制動系統(tǒng)響應時間、加強車輛結(jié)構(gòu)設計、提升駕駛操作與應急措施是防止折疊事故的有效手段。研究結(jié)論為提高列車行車安全性提供了理論依據(jù)和實踐指導。

關鍵詞：牽引列車；制動滯后；半掛車折疊；力學原理

中圖分類號：U469.5 收稿日期：2024-06-23

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.013

1 牽引列車制動滯后的力學原理

1.1 制動滯后的定義與表現(xiàn)

牽引列車的制動滯后現(xiàn)象通常是指列車在啟動制動操作后，制動系統(tǒng)實際開始減速的時間延遲。這種滯后主要源自液壓、氣動制動系統(tǒng)中的壓力傳遞延時，或是由電磁制動系統(tǒng)的電信號響應時間不足引發(fā)的。在這種情況下，制動器未能在第一時間對所有車廂和半掛車施加制動力，導致整個列車系統(tǒng)的減速行為不均勻，增加了列車在行駛中的不穩(wěn)定性。制動滯后現(xiàn)象不僅影響列車的整體制動效率，還會導致某些特定條件下的半掛車發(fā)生危險的折疊現(xiàn)象，尤其在濕滑路面或陡坡情況下，這種滯后會放大慣性力的影響，致使列車與半掛車間的牽引力與制動力之間出現(xiàn)明顯的時間差，從而引發(fā)折疊事故［1］。圖1為牽引車與半掛車碰撞圖。此外，滯后的制動表現(xiàn)還與列車的總重量、速度以及半掛車的載荷分布密切相關，當這些因素達到臨界值時，制動滯后帶來的風險將成倍增加。因此，研究和解決制動滯后現(xiàn)象對于提升列車行車安全性至關重要。

1.2 牽引力與制動力的不平衡分析

牽引力與制動力的不平衡是牽引列車制動滯后導致半掛車折疊的核心問題之一。牽引力是指由牽引車發(fā)動機輸出并通過傳動系統(tǒng)傳遞至車輪的驅(qū)動力，而制動力是由制動系統(tǒng)施加在車輪上的阻力。圖2所示為牽引車模型。在理想狀態(tài)下，這兩種力應在列車的運行過程中保持平衡，以確保整個列車系統(tǒng)在加速和減速過程中均能平穩(wěn)運行。然而，在實際操作中，特別是在制動滯后發(fā)生時，牽引力與制動力的平衡往往會被打破。制動滯后會導致前部車廂首先受到制動力作用，而后部半掛車由于慣性力的影響仍以較高速度前行，此時，牽引車的牽引力不足以抵消半掛車的慣性力，產(chǎn)生的力矩作用在連接處，使得半掛車有向前折疊的趨勢。

為了更好地理解這種不平衡的影響，可以通過具體的數(shù)據(jù)分析加以說明。假設一輛牽引列車的總質(zhì)量為30 t，其中牽引車的質(zhì)量為10 t，半掛車的質(zhì)量為20 t。當列車以60 km/h的速度行駛并突然啟動制動時，制動滯后導致前部車廂在0.5 s內(nèi)減速到40 km/h，而此時半掛車的速度依然接近60 km/h，如表1所示。根據(jù)慣性力公式計算，半掛車在減速過程中的慣性力可達40 kN，這一巨大慣性力作用于牽引連接處，將牽引力與制動力的不平衡進一步放大，最終導致半掛車折疊。

由此可見，隨著車速的增加，制動滯后時間對慣性力的影響顯著增大，而慣性力的不平衡將直接威脅列車的安全運行。為了解決這一問題，優(yōu)化制動系統(tǒng)響應時間，提高制動力的傳遞效率，是確保牽引力與制動力平衡的關鍵。

1.3 慣性力對半掛車的影響

慣性力在牽引列車制動滯后情境下對半掛車的影響至關重要，是導致半掛車折疊事故的主要力學因素之一。根據(jù)牛頓第二定律，慣性力可以通過公式：

F=ma （1）

式中，F(xiàn)為慣性力；m為物體的質(zhì)量；a為物體的加速度。

對于一輛重達20 t的半掛車，當其在制動滯后過程中未能及時獲得制動力時，其保持原有速度的慣性力將顯著作用于車輛連接處。如果牽引車已因制動而減速，半掛車仍在慣性力的作用下繼續(xù)前行，這種不一致性會產(chǎn)生巨大的內(nèi)應力，可能會超過牽引設備和連接部件的承載能力，導致半掛車發(fā)生折疊。

這種力學現(xiàn)象在下坡路段或濕滑路面上尤為顯著。假設半掛車的質(zhì)量為20 000 kg，且在平直道路上以80 km/h的速度行駛，當牽引車因制動滯后而減速至60 km/h時，半掛車因慣性產(chǎn)生的力為：

F=20 000Δv/t （2）

式中，Δv為速度差；t為制動滯后時間。

如果滯后時間為0.5 s，速度差為20 km/h（約等于5.56 m/s），則慣性力將達到222 400 N。這種巨大的力直接作用于半掛車的前端連接處，容易使連接部位失去穩(wěn)定性，導致折疊現(xiàn)象的發(fā)生。

慣性力的影響不僅取決于半掛車的質(zhì)量和速度，還與制動滯后的時間密切相關。滯后時間越長，慣性力的作用時間越長，累積的內(nèi)應力越大，最終導致的力學失衡也越嚴重。因此，減小制動滯后時間、優(yōu)化制動系統(tǒng)的響應速度，以及合理分配半掛車的載荷分布，都是減小慣性力負面影響的重要手段［2］。通過引入先進的制動控制技術，如電子制動力分配系統(tǒng)，可以有效減少慣性力的作用時間，從而提高牽引列車的行車安全性，避免因慣性力過大而導致的半掛車折疊事故。

2 半掛車折疊的力學過程

2.1 半掛車折疊的發(fā)生條件

半掛車折疊的發(fā)生條件復雜且多樣，主要受制于車輛運行中的力學狀態(tài)和外部環(huán)境因素的共同影響。在牽引列車制動過程中，半掛車折疊的一個關鍵條件是牽引力與慣性力之間的失衡。當列車啟動制動操作時，制動滯后導致半掛車因慣性繼續(xù)向前運動，這種慣性力與牽引車減速所產(chǎn)生的牽引力相反，形成了一個巨大的內(nèi)應力。如果牽引車和半掛車之間的連接結(jié)構(gòu)未能有效分擔或吸收這種應力，就會使得半掛車在力的作用下發(fā)生折疊。此時，折疊的發(fā)生與車輛的載荷分布、路面狀況、制動力分配等因素密切相關。重心較高、載荷不均勻的半掛車更容易在慣性力的作用下失穩(wěn)，發(fā)生折疊。此外，路面的濕滑、坡度變化等外部條件也會加劇這種不平衡狀態(tài)的發(fā)生概率。例如，在下坡路段，半掛車的慣性力增大，牽引車的制動力相對不足，導致連接部位的受力增加，極易觸發(fā)折疊事故。因此，半掛車折疊的發(fā)生不僅僅是力學力作用的結(jié)果，還受到外部環(huán)境和車輛設計等多重因素的綜合影響。圖3所示為半掛模型，對其優(yōu)化車輛設計，合理分配載荷，改善制動系統(tǒng)的響應速度，可以有效降低其折疊的發(fā)生概率，提高車輛行駛的安全性。

2.2 折疊過程中力的傳遞與分布

掛車在制動滯后引發(fā)的折疊過程中，慣性力首先作用于掛車的前部連接裝置，使得連接處承受極大的拉伸或壓縮應力。當這種應力超過連接裝置的設計極限時，力開始沿著車架和懸掛系統(tǒng)向后傳遞，逐漸影響到整個車體結(jié)構(gòu)。此時，車架承受的剪切應力和彎曲應力迅速增加，車身可能出現(xiàn)局部變形，尤其是在力集中作用的部位，如車架的中段或靠近車輪的部分，更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)性損壞。隨著力的繼續(xù)傳遞，折疊現(xiàn)象可能會沿著半掛車的縱向軸線擴展，形成“折刀”狀的結(jié)構(gòu)斷裂，導致車廂在強烈的應力作用下產(chǎn)生顯著的變形和位移。此外，折疊過程中，懸掛系統(tǒng)和輪胎也會受到劇烈的應力沖擊，導致輪胎失穩(wěn)或懸掛系統(tǒng)損壞，從而加劇折疊現(xiàn)象的嚴重性。力的分布在這個過程中并非均勻，而是隨著結(jié)構(gòu)形態(tài)和材質(zhì)的變化呈現(xiàn)出不同的傳遞路徑。因此，為了減輕折疊過程中力的破壞效應，必須在設計和制造階段考慮力的合理分布與緩沖機制，如加強車架的結(jié)構(gòu)強度，優(yōu)化懸掛系統(tǒng)的彈性特性，確保連接部位的力學性能達到較高水平。這些措施可以有效分散和吸收折疊過程中產(chǎn)生的應力，降低結(jié)構(gòu)損壞的風險，提升半掛車的整體抗折疊能力。

2.3 車輛結(jié)構(gòu)與折疊的關系

車輛結(jié)構(gòu)與半掛車折疊之間存在密切的力學關系，直接影響了折疊現(xiàn)象的發(fā)生概率和破壞程度。半掛車的結(jié)構(gòu)設計包括車架的材料強度、連接部件的設計以及懸掛系統(tǒng)的配置等，這些因素共同決定了車輛在受到外力作用時的應力分布和形變能力。在牽引列車制動滯后的情況下，慣性力作用于半掛車前端連接裝置，這一部位的結(jié)構(gòu)設計將直接影響折疊的發(fā)生。如果連接部件的材料強度不足或設計不合理，容易在大應力作用下發(fā)生斷裂或過度形變，導致車體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性喪失。根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)，當車架采用高強度鋼材時，其抗折疊能力顯著提高，能夠承受的最大應力達到800 MPa，而普通鋼材的抗應力極限則僅為500 MPa，這種差異在半掛車折疊過程中尤為明顯。

此外，車架的幾何設計也是影響折疊的重要因素之一。車架的縱向軸線設計如果存在過多的連接節(jié)點或薄弱點，力在傳遞過程中會形成應力集中，導致局部區(qū)域的應力超過材料的屈服強度，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)斷裂。測試數(shù)據(jù)顯示，在應力集中區(qū)域，車架的局部應力峰值可達1 200 MPa，遠高于材料的設計極限，這種情況下，折疊現(xiàn)象幾乎不可避免。優(yōu)化車架設計，減少不必要的連接節(jié)點，加強關鍵部位的材料選擇與加工精度，可以有效分散應力，降低折疊的風險。

懸掛系統(tǒng)對折疊的影響同樣不容忽視。懸掛系統(tǒng)的彈性特性直接關系到車輛在受到?jīng)_擊力時的緩沖能力。實驗數(shù)據(jù)顯示，采用高彈性懸掛系統(tǒng)的半掛車在遭受慣性力沖擊時，懸掛系統(tǒng)能夠吸收約30%的沖擊力，顯著降低車架的受力強度，從而減少折疊的可能性［3］。通過優(yōu)化車輛結(jié)構(gòu)設計，提升關鍵部位的材料強度和應力分布合理性，能夠有效提高半掛車的抗折疊能力，確保車輛在復雜工況下的安全運行。

3 應對牽引列車制動滯后的策略

3.1 優(yōu)化制動系統(tǒng)響應時間

制動系統(tǒng)的響應時間直接影響車輛在緊急情況下的減速和停靠能力，尤其對于長列車而言，前后車廂之間的響應同步性至關重要。提高制動系統(tǒng)的響應速度，首先需要從技術層面入手，包括升級制動器材質(zhì)、優(yōu)化液壓和氣動系統(tǒng)的傳導效率，減少制動信號在系統(tǒng)中的延遲。同時，現(xiàn)代制動技術的應用，如電子控制制動系統(tǒng)（EBS），能夠?qū)崟r監(jiān)測各車廂的速度和制動力需求，通過電子控制器進行瞬時調(diào)節(jié)，確保整個列車系統(tǒng)的制動同步性。通過這種精確的控制，制動滯后現(xiàn)象將大大減少，降低慣性力對半掛車的影響。此外，優(yōu)化制動系統(tǒng)還可以從系統(tǒng)的集成化設計入手，通過減少機械傳動環(huán)節(jié)，提高整體制動系統(tǒng)的反應速度。集成化的制動系統(tǒng)不僅減少了部件之間的摩擦和能量損耗，還能夠有效提升系統(tǒng)的可靠性和耐用性。在列車的日常維護中，定期檢測和維護制動系統(tǒng)的各個關鍵部件，確保其處于最佳工作狀態(tài)，也是避免制動滯后現(xiàn)象的重要手段。

3.ce367803a6960d40d65f2d87c773dad43e96f0b6197c8aa8a6004ea83a53dbf02 加強車輛結(jié)構(gòu)設計

加強車輛結(jié)構(gòu)設計是應對半掛車折疊現(xiàn)象的重要策略，合理的結(jié)構(gòu)設計能夠有效分散和抵消外力，避免應力集中導致的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

a.車架材料的選擇是結(jié)構(gòu)設計的基礎，高強度合金鋼或復合材料的應用能夠提高車架的抗壓抗拉強度，從而在受到慣性力作用時，能夠更好地保持整體穩(wěn)定性。

b.車架幾何形狀的優(yōu)化設計也是關鍵，通過減少車架中的薄弱節(jié)點和力學應力集中的部位，可以降低結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的風險。懸掛系統(tǒng)的設計同樣需要精細考慮，彈性與阻尼的合理配置能夠在車輛受到外力沖擊時，起到緩沖作用，減少力的直接傳遞。此外，牽引裝置的設計也需要特別關注，牽引桿的長度、角度以及連接部件的強度直接關系到半掛車與牽引車之間的力傳遞效率。一個合理的牽引裝置設計，能夠在制動過程中有效吸收部分慣性力，減輕牽引車和半掛車之間的應力差，避免折疊事故的發(fā)生。

c.整體結(jié)構(gòu)設計還應考慮到車輛的重心分布，通過合理的載荷分配和設計，使車輛在行駛過程中保持穩(wěn)定，減少因載荷不均而導致的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

3.3 提升駕駛操作與應急措施

駕駛員的操作技能和應急反應能力在復雜路況和緊急情況下直接關系到車輛的安全。

a.駕駛員需要具備充分的專業(yè)知識和技能，了解牽引列車的特性和制動系統(tǒng)的工作原理，能夠在不同的駕駛條件下做出最優(yōu)的操作決策。

b.定期進行應急操作培訓是提升駕駛員應急反應能力的有效手段，通過模擬各種緊急情況，讓駕駛員熟悉在不同情境下的應對措施，例如在制動滯后情況下，如何通過合理的操作減少慣性力對半掛車的影響［4］。

c.駕駛員還需掌握車輛的日常維護技能，特別是對制動系統(tǒng)的檢查和維護，確保車輛在出發(fā)前處于最佳狀態(tài)，減少由于機械故障導致的制動滯后。

d.提高駕駛員的操作水平還需要結(jié)合現(xiàn)代技術手段，例如通過安裝智能輔助駕駛系統(tǒng)，實時監(jiān)控車輛的運行狀態(tài)，提示駕駛員可能的風險，并提供操作建議。在緊急情況下，自動緊急制動系統(tǒng)（AEB）的應用也可以在駕駛員反應不足時自動介入，減少事故發(fā)生的概率。

4 結(jié)語

本文通過對牽引列車制動滯后導致半掛車折疊的力學原理進行深入分析，提出了有效的應對策略。這些策略不僅有助于減少制動滯后對列車行車安全的影響，還能在實際操作中提供參考，優(yōu)化列車運行的整體安全性。未來的研究可以進一步探討新型制動系統(tǒng)的應用和智能駕駛技術的整合，以進一步提升列車的安全性能和運行效率。

參考文獻：

[1]劉明潔，于俊峰，李廣庭.半掛牽引列車制動協(xié)調(diào)性問題及解決方法[J].重型汽車，2014（3）：30-31.

[2]于俊峰，李廣庭，劉明潔，等.半掛牽引列車制動協(xié)調(diào)性探討[J].重型汽車，2013（4）：12-15.

[3]王義惠，寧濱，宋永端.高速列車制動及牽引自動控制研究[J].控制工程，2010，17（S1）：5-8.

[4]王再勤.牽引-半掛列車制動系統(tǒng)的改進[J].專用汽車，2003（5）：15-16.

作者簡介：

霍加雄，男，1987年生，工程師，研究方向為汽車檢驗檢測認證。